[理学]材料物理第十一章.ppt

 11高分子物理 本章简要介绍高分子材料的结构和物理性质。 高分子结构包括： 链结构—指单个分子的结构和形态，包括高分子链的组成、构型及其构象。 聚集态—指材料整体的内部结构，包括晶态、非晶态、取向态和液晶态等。 高分子物理性质包括： 力学性质－橡胶弹性、粘弹性等； 电学性质－电导、介电常数、介电损耗、介电击穿等； 光学性质－光吸收、二向色性、光泽、光导等。 11.1概述 高分子物理是一门新兴的学科，是在人们长期的生产实践和科学实验的基础上逐渐发展起来的。早期，木材、棉、麻、丝、毛、漆、橡胶、皮革和各种天然高分子材料得到广泛的应用。但有些加工方法，如橡胶的硫化、皮革的制作、棉麻的丝光处理等，人们并不知道它的组成和结构，直到19世纪中叶才开始高分子科学的蒙昧时期。19世纪后期，开始研究羊毛等天然高分子的化学组成、结构和形态学。另一方面，有意无意 地合成了一批高分子化合物。20世纪初，化学合成和人工合成的聚合物在生活中得到应用，此为高分子科学的萌芽时期。经历了50年的争论，才 诞生了高分子学说。至20世纪50年代，高分子物理学基本形成。 高分子物理学主要由三个部分组成： （1）高分子结构（单个分子的结构和聚集态的结构），主要应用方面：由结构推出性能。 （2）聚合物的性能。主要性能：粘弹性。是高分子材料最可贵的地方。 （3）分子运动的统计学。研究分子运动与性能的关系。 高分子聚合物的特点： （1）高分子是由很大分子数目（103～105）的结构单元组成的。这些结构单元可以是一种均聚物也可以是几种共聚物，它们以共价键相连接，形成线型分子、支化分子、网状分子等。 （2）一般高分子的主链都有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲而具有柔性。由于分子的热运动，柔性链的形状可以不断改变。 （3）高分子链是由很多结构单元组成，其间的范德华相互作用非常重要。 分子间的相互作用力包括： ①范德华（范德瓦尔斯）力（极化键）－被极化了的原子或分子间依靠正负极的相互作用而结合起来。 ②氢键－一个分子中的氢原子与另一个分子里的非金属原子之间形成的极化键叫氢键（分子中的氢原子出现极化现象时叫氢键）。 （4）只要高分子链中存在关联，即使关联程度很小，高聚物的物理力学性能也会发生很大变化，最主要的是不渗解和不熔融。 （5）高分子的聚集态有晶态和非晶态之分。高聚物的晶态比小分子晶态的有序程度差很多，存在很多缺陷。 （6）要使高聚物加工成有用的材料，需要加入填料、各种助剂等，这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，即存在所谓织态问题。织态结构是决定分子材料性能的重要因素。 11.2高分子的分子结构 高分子化合物的性能是它的结构和分子运动的反映。高分子化合物除了具有低分子化合物所具有的结构特征，如同分异构、几何异构和旋光异构外，还具有众多的结构特点。这些特点使高分子化合物具有许多宝贵而独特的性能和功能，可以加工制成塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂和分离膜等各种制品，使它们获得广泛而成功的应用。 高分子的分子结构特点： （1）高分子化合物最重要的结构特点是它的高分子量，高分子化合物通常是由103～105个结构单结构单元组成，典型的分子量范围在104～107数量级。而且，由于聚合反应过程的统计特性，至今所有合成的高分子的分子量都是不均一的，存在着不同程度的分子量分散性。 （2）高分子链的几何形状可以是线型的，也可以是分支的，或是通过交联形成的网络结构。 （3）高分子可以是由一种结构单元构成的，称为均聚物，也可以是由两种或两种以上结构单元构成，称为共聚物。 （4）各种高分子链具有不同的内旋转自由度，具有不同的柔性，使高分子链可以不同程度地卷曲起来，而且由于分子的热运动，高分子链的形状不断地改变，呈现许许多多不同的构象。 （5）高分子链是分子量很大的大分子链，分子链之间有很强的相互作用，分子链之间存在缠结。 高分子结构的分类： 分子结构（化学结构）—指一个大分子的结构，如大分子的元素组成和分子中原子或原子基团的空间排列方式。由聚合反应中所用的原料及其配方以及聚合反应的条件所决定。 聚集态结构（物理结构）—指大分子堆砌、排列的形式和结构。它们既可以有序排列形成结晶态结构，也可以无序排列形成非晶态结构，还可以形成介于两者之间的介态，如液晶态结构。取决于聚合物成型过程的条件，如过程的受热和受力状况。 11.2.1高分子链的组成 高分子链的组成—是指构成大分子链的化学成分、结构单元的排列顺序、分子链的几何形状、分子链的长度及其分布。